Supervisory authorities

CNRS Université Paris 13

Our partners

Search




Home > Teams > PEMA > Material deposition using micro-plasma (Transverse MP4)

Description

by Alexandre Tallaire - published on , updated on

Courant 2015, un axe transverse entre les équipes MP4 et PEMA du LSPM a vu le jour. L’objectif de cet axe est de développer un nouveau réacteur plasma pour le dépôt sur de grandes surfaces de matériaux à fort potentiel. Le matériau visé dans un premier temps est le nitrure de bore hexagonal (h-BN), un matériau de choix pour différentes applications telles que la photonique et l’électronique, mais le réacteur développé sera suffisamment versatile pour envisager le dépôt d’autres types de matériaux.

Figure 1: Schéma d’une microdécharge à cathode creuse.


Le réacteur plasma utilisé est basé sur une matrice de micro décharges à cathode creuse (MHCD, Micro Hollow Cathode Discharges). Une MHCD est constituée d’un sandwich anode-diélectrique-cathode à travers lequel est percé un trou de quelques centaines de micromètres de diamètre comme illustré sur la figure 1. Etant donné que les micro-décharges sont hors équilibre thermodynamique, ils permettent de réduire considérablement la température de dépôt par rapport aux procédés conventionnels ce qui permet d’envisager des dépôts sur des substrats plus délicats et ainsi d’élargir le champ des applications possibles. Un autre avantage des micro-décharges est qu’elles permettent d’atteindre de fortes densités électroniques (jusqu’à 1016 cm-3) en comparaison des autres décharges hors-équilibre ce qui conduit à un fort degré de dissociation du précurseur. Ceci est particulièrement crucial pour le dépôt de nitrure étant donné que l’importante énergie de liaison de l’azote moléculaire (9.5 eV) est un obstacle à la croissance de matériaux de haute qualité. La synthèse de h-BN est un challenge particulièrement important du fait du fort potentiel de ce matériau aussi bien en couches minces que dans les nanostructures (films 2D et nanotubes).

Le réacteur de dépôt développé est constitué de deux chambres, la matrice de MHCDs étant positionnée au niveau de la jonction entre les deux chambres. En fonction de la taille du susbtrat, le nombre de trous peut atteindre plusieurs centaines. Le porte substrat, localisé sous la matrice de micro-décharges, peut être polarisé ce qui permet d’étendre la décharge depuis les trous jusqu’au substrat. Le mélange gazeux utilisé est Ar/N2 ou He/N2 et la pression de travail est de l’ordre de la centaine de mbar.

Les recherches menées dans le cadre de ce projet sont à la fois théoriques et expérimentales. D’un point de vue théoriques, un modèle global de la décharge, c’est-à-dire moyenné en volume, est en cours de développement. Ce type de modèle permet de réaliser des études paramétriques qui sont nécessaires à l’optimisation du procédé de dépôt et à la compréhension des mécanismes de dépôt. En parallèle, un logiciel commercial, Quantemol-VT, basé sur un modèle hybride 2D, permettra de modéliser l’expansion de la décharge des trous jusqu’au substrat, ce que ne peut pas faire le modèle 0D. D’un point de vue expérimental, les paramètres de la décharge seront mesurés par spectroscopie d’émision, spectroscopie d’absorption, TALIF nanosecondes (Two photons Absorption Laser Induced Fluorescence) et sondes de flux ioniques. La caractérisation des films déposés sera réalisée par diffraction des rayons X, microscopie à force atomique, spectroscopie Raman et infrarouge, microscopie électronique en transmission.